ربات‌های پرنده در خدمت علم

همه آن چیزی که درباره تکامل پرواز می‏دانیم، این است که حدود 150 میلیون سال قبل، جنگل‏ها مملو از دایناسورهای پرنده‏ای مثل «آرکئوپتریکس» (یا شاید هم دایناسورهای که روی هوا سُر می‌خوردند) بود که به اجداد پرندگان امروزی شباهت بسیاری دارد؛ اما آنچه نمی‏دانیم، این است که اجداد پرندگان پیش از آنکه بتوانند پرواز کنند، از بال‏های ابتدایی خود چه استفاده‏ای می‏کردند؟ در تحقیقی که در شماره اخیر «Bioinspiration & Biomimetics» چاپ شده است، می‏توان به اطلاعات جالب‏توجهی در این زمینه دست پیدا کرد. این اطلاعات از بررسی‏های انجام‏شده روی فسیل‏ها حاصل نشده است؛ بلکه از تحقیقاتی که روی ربات‏های پرنده انجام شده، به دست آمده است.
درباره چگونگی تکامل پرواز اولیه، دو نظریه اصلی وجود دارد. بر‌اساس نظریه «سقوط از درخت»، جانداران از بال‏های ابتدایی خود برای سُر‌خوردن از ارتفاعات استفاده می‌کردند. نظریه «بلند‌شدن از زمین» نیز بیان می‏‏کند که اجداد پرندگان از بال‏هایشان برای دویدن سریع روی زمین و در ادامه بلندشدن از سطح زمین استفاده می‏کردند؛ اما مسئله اصلی درباره نظریه «بلندشدن از زمین» این است که رسیدن به سرعت زیاد، نیازمند بلندشدن از زمین است. مقایسه‌های انجام‏شده بیانگر آن است که پیشرفت‌های تدریجی صورت‌گرفته در شیوه «سُر‌خوردن» ممکن است به پرواز منجر شده باشد. گفتنی است شواهد فسیلی نتوانسته است به حل این موضوع چندان کمک کند.
«رونالد فیرینگ» و «کوین پترسون»، مهندسان دانشگاه برکلی کالیفرنیا درباره تکامل پرواز، هیچ پیش‌زمینه‌ و فکری نداشتند تا اینکه ربات 25‌گرمی خود را ساختند. این ربات که DASH+Wings یا Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod نام دارد، یک ربات شش‌پای کوچک و در واقع یکی از انواع ربات‏هایی است که ارتش آمریکا برای انجام کارهای تجسسی ساخته است. «فیرینگ» می‏گوید: «ربات‏های کوچک زمین‏رو اغلب برای بالا‌رفتن از ارتفاعات و پریدن روی اشیا با مشکلات عدیده‏ای مواجه هستند؛ به‌همین‌دلیل ما توجه خود را روی سیستم حرکتی هیبریدی متمرکز کرده و برای بهتر‌شدن حرکت تصمیم گرفتیم که بال‏های تکان‏خورنده و پاها را با هم ترکیب کنیم»؛ اما هنگامی‏ که آنها بال‏ها را به ربات DASH اضافه کردند، متوجه شدند که این ابزار می‏تواند در پاسخ به پرسش تکاملی منشأ پرواز مفید باشد. به‌همین‌دلیل گروه تصمیم گرفت که در این زمینه با «رابرت دادلی»، دیرینه‏زیست‏‏شناس دانشگاه برکلی، تماس بگیرند و از او بخواهند که به گروه ملحق شود. گروه برای بررسی ربات و پاسخ دادن به سؤالات خود، مسابقات مینی‏المپیکی را برای DASH+Wings ترتیب دادند. ربات روی زمین با سرعت زیادی حرکت می‏کرد. از روی تپه‌ها با سرعت خارق‏العاده‏ای بالا می‏رفت و هنگامی‏که در ارتفاعات قرار می‏گرفت، برای اینکه از مبدأ پرش، حداکثر فاصله را بگیرد، از شیوه سُرخوردن کمک می‏گرفت. در همه این حالت‌ها، گروه عملکرد ربات را در دو حالت «ربات بدون بال» و «ربات با بال متحرک» و «ربات با بال ساکن» مقایسه و همه اندازه‏گیری‏ها با استفاده از شتاب‏سنج و دوربین اندازه‏گیری شد.
«پترسون» درباره آزمایش‏های انجام‏شده و نتایج آن می‏گوید: «داشتن یک جفت بال متحرک در هر آزمایش، به ربات بسیار کمک می‏کرد، به‏ویژه در سُر‌خوردن از ارتفاعات. بال‏های متحرک به ربات امکان می‏داد به‌آسانی از تپه‌ها بالا برود و هنگام دویدن روی زمین باعث افزایش سرعت ربات می‏شد؛ اما تنها تا 90 درصد و این رقم از 400 درصد لازم برای پرواز، فاصله زیادی دارد. در آزمایش سُرخوردن از ارتفاعات، بال‏های متحرک به ربات امکان می‏داد که بتواند از مبدأ پرواز فاصله بگیرد. درواقع این بال‏ها همانند یک بادبان به ربات کمک می‏کردند تا حداکثر فاصله را از مبدأ پرواز خود بگیرد و این حالت در مقایسه با زمانی که ربات به بال‏های ثابت مجهز شده بود، بسیار بیشتر به چشم می‏آمد. این نتایج به ‏طور غیرمستقیم از این نظریه پشتیبانی می‏کند که پرواز در جانوران سقوط‏کننده از درخت تکامل یافته است، نه از جانوران زمین‏زی که باید با سرعت زیاد روی زمین می‏دویدند و سپس از سطح زمین بلند می‏شدند».
«برندون جکسون» زیست‏شناس تکاملی دانشگاه مونتانا، در میسوئولا می‏گوید: «این تحقیق، مثال زیبایی است از اینکه چگونه ربات‏های نسبتا ساده‏ای که با الهام از موجودات زنده ساخته شده‏اند، می‏توانند در انجام آزمایش‏هایی که بسیار مشکل هستند یا امکان تست آنها در موجودات زنده وجود ندارد، به دانشمندان کمک کنند». او در ادامه می‏افزاید: «نتایج به‌دست‏آمده در این آزمایش از نظریه سُر‌خوردن در هوا پشتیبانی می‏کند؛ اما این احتمال را که ممکن است اجداد پرندگان آن‌قدر با سرعت زیاد دویده باشند که در نهایت از سطح زمین بلند شده باشند، رد نمی‏کند». در واقع می‏توان گفت که در‌حال‌حاضر نمی‏توان به پاسخ مستدل و قانع‏کننده‏ای برای منشأ پرواز پرندگان دست پیدا کرد.
www.sciencemag.org

همه آن چیزی که درباره تکامل پرواز می‏دانیم، این است که حدود 150 میلیون سال قبل، جنگل‏ها مملو از دایناسورهای پرنده‏ای مثل «آرکئوپتریکس» (یا شاید هم دایناسورهای که روی هوا سُر می‌خوردند) بود که به اجداد پرندگان امروزی شباهت بسیاری دارد؛ اما آنچه نمی‏دانیم، این است که اجداد پرندگان پیش از آنکه بتوانند پرواز کنند، از بال‏های ابتدایی خود چه استفاده‏ای می‏کردند؟ در تحقیقی که در شماره اخیر «Bioinspiration & Biomimetics» چاپ شده است، می‏توان به اطلاعات جالب‏توجهی در این زمینه دست پیدا کرد. این اطلاعات از بررسی‏های انجام‏شده روی فسیل‏ها حاصل نشده است؛ بلکه از تحقیقاتی که روی ربات‏های پرنده انجام شده، به دست آمده است.
درباره چگونگی تکامل پرواز اولیه، دو نظریه اصلی وجود دارد. بر‌اساس نظریه «سقوط از درخت»، جانداران از بال‏های ابتدایی خود برای سُر‌خوردن از ارتفاعات استفاده می‌کردند. نظریه «بلند‌شدن از زمین» نیز بیان می‏‏کند که اجداد پرندگان از بال‏هایشان برای دویدن سریع روی زمین و در ادامه بلندشدن از سطح زمین استفاده می‏کردند؛ اما مسئله اصلی درباره نظریه «بلندشدن از زمین» این است که رسیدن به سرعت زیاد، نیازمند بلندشدن از زمین است. مقایسه‌های انجام‏شده بیانگر آن است که پیشرفت‌های تدریجی صورت‌گرفته در شیوه «سُر‌خوردن» ممکن است به پرواز منجر شده باشد. گفتنی است شواهد فسیلی نتوانسته است به حل این موضوع چندان کمک کند.
«رونالد فیرینگ» و «کوین پترسون»، مهندسان دانشگاه برکلی کالیفرنیا درباره تکامل پرواز، هیچ پیش‌زمینه‌ و فکری نداشتند تا اینکه ربات 25‌گرمی خود را ساختند. این ربات که DASH+Wings یا Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod نام دارد، یک ربات شش‌پای کوچک و در واقع یکی از انواع ربات‏هایی است که ارتش آمریکا برای انجام کارهای تجسسی ساخته است. «فیرینگ» می‏گوید: «ربات‏های کوچک زمین‏رو اغلب برای بالا‌رفتن از ارتفاعات و پریدن روی اشیا با مشکلات عدیده‏ای مواجه هستند؛ به‌همین‌دلیل ما توجه خود را روی سیستم حرکتی هیبریدی متمرکز کرده و برای بهتر‌شدن حرکت تصمیم گرفتیم که بال‏های تکان‏خورنده و پاها را با هم ترکیب کنیم»؛ اما هنگامی‏ که آنها بال‏ها را به ربات DASH اضافه کردند، متوجه شدند که این ابزار می‏تواند در پاسخ به پرسش تکاملی منشأ پرواز مفید باشد. به‌همین‌دلیل گروه تصمیم گرفت که در این زمینه با «رابرت دادلی»، دیرینه‏زیست‏‏شناس دانشگاه برکلی، تماس بگیرند و از او بخواهند که به گروه ملحق شود. گروه برای بررسی ربات و پاسخ دادن به سؤالات خود، مسابقات مینی‏المپیکی را برای DASH+Wings ترتیب دادند. ربات روی زمین با سرعت زیادی حرکت می‏کرد. از روی تپه‌ها با سرعت خارق‏العاده‏ای بالا می‏رفت و هنگامی‏که در ارتفاعات قرار می‏گرفت، برای اینکه از مبدأ پرش، حداکثر فاصله را بگیرد، از شیوه سُرخوردن کمک می‏گرفت. در همه این حالت‌ها، گروه عملکرد ربات را در دو حالت «ربات بدون بال» و «ربات با بال متحرک» و «ربات با بال ساکن» مقایسه و همه اندازه‏گیری‏ها با استفاده از شتاب‏سنج و دوربین اندازه‏گیری شد.
«پترسون» درباره آزمایش‏های انجام‏شده و نتایج آن می‏گوید: «داشتن یک جفت بال متحرک در هر آزمایش، به ربات بسیار کمک می‏کرد، به‏ویژه در سُر‌خوردن از ارتفاعات. بال‏های متحرک به ربات امکان می‏داد به‌آسانی از تپه‌ها بالا برود و هنگام دویدن روی زمین باعث افزایش سرعت ربات می‏شد؛ اما تنها تا 90 درصد و این رقم از 400 درصد لازم برای پرواز، فاصله زیادی دارد. در آزمایش سُرخوردن از ارتفاعات، بال‏های متحرک به ربات امکان می‏داد که بتواند از مبدأ پرواز فاصله بگیرد. درواقع این بال‏ها همانند یک بادبان به ربات کمک می‏کردند تا حداکثر فاصله را از مبدأ پرواز خود بگیرد و این حالت در مقایسه با زمانی که ربات به بال‏های ثابت مجهز شده بود، بسیار بیشتر به چشم می‏آمد. این نتایج به ‏طور غیرمستقیم از این نظریه پشتیبانی می‏کند که پرواز در جانوران سقوط‏کننده از درخت تکامل یافته است، نه از جانوران زمین‏زی که باید با سرعت زیاد روی زمین می‏دویدند و سپس از سطح زمین بلند می‏شدند».
«برندون جکسون» زیست‏شناس تکاملی دانشگاه مونتانا، در میسوئولا می‏گوید: «این تحقیق، مثال زیبایی است از اینکه چگونه ربات‏های نسبتا ساده‏ای که با الهام از موجودات زنده ساخته شده‏اند، می‏توانند در انجام آزمایش‏هایی که بسیار مشکل هستند یا امکان تست آنها در موجودات زنده وجود ندارد، به دانشمندان کمک کنند». او در ادامه می‏افزاید: «نتایج به‌دست‏آمده در این آزمایش از نظریه سُر‌خوردن در هوا پشتیبانی می‏کند؛ اما این احتمال را که ممکن است اجداد پرندگان آن‌قدر با سرعت زیاد دویده باشند که در نهایت از سطح زمین بلند شده باشند، رد نمی‏کند». در واقع می‏توان گفت که در‌حال‌حاضر نمی‏توان به پاسخ مستدل و قانع‏کننده‏ای برای منشأ پرواز پرندگان دست پیدا کرد.
www.sciencemag.org